基于无人机倾斜摄影测量的关键技术及应用分析

乔天荣，马培果，许连峰，刘平利

（1.河南省地质调查院，河南 郑州 450001；2.郑州麦普空间规划勘测设计有限公司，河南 郑州 450001；3.河南省地质科学研究所，河南 郑州 450001）

0 引言

倾斜摄影测量技术是近年来发展起来的一项高新技术，倾斜摄影技术三维数据可真实反映地物的外观、位置、高度等属性。一般倾斜摄影采用五镜头相机，一台获取垂直影像，另外四台从前后左右4 个方向同时获取地物的侧视影像，相机倾斜角度为40°～60°，可以较为完整地获取地物侧面的轮廓和纹理信息。倾斜摄影数据是带有空间位置信息的可量测影像数据，能输出DSM、DOM、TDOM、DLG 等多种成果，同时从垂直、侧视等不同的角度采集影像，有效弥补了传统航空摄影的局限（杨国东和王民水，2016）。

1 无人机倾斜摄影测量技术优势

无人机倾斜摄影测量技术通过5 个角度对地面情况进行拍摄，获得三维数据可以真实的反映地物的本来面貌，客观地再现了地物的外观、结构以及高度等属性，弥补了传统遥感技术的测量不足，使倾斜摄影测量技术应用更为广泛。具体优势如下。

（1）突破了传统航测单相机只能从垂直角度拍摄获取正射影像的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台影像传感器，同时从垂直、倾斜多个不同角度采集带有空间信息的真实影像，以获取更加全面的地物纹理细节，更加真实地反映地物的实际情况，并可以利用提取及贴纹理的方式，降低三维建模的成本。

（2）倾斜摄影测量技术是通过借助无人机进行数据测量和影像拍摄的，是一种全自动的模式，通过实践表明，人工1～2a 的人工建模，利用倾斜摄影测量技术进行三维建模只需要3～5 个月，大大提高了效率，缩短了时间。

（3）节约人力、效率高，能极大地缩短测绘外业的协同工作，解决了由于天气等外因造成的工作延误，把原本大量的外业工作转变成内业工作，极大地缩短了测量人员的劳动时间，降低了外业劳动强度。

（4）倾斜影像能为用户提供丰富的地理信息产品，实现二三维的数据叠加和展示，可以输出DSM、DOM、DLG 等的数据成果。为相关地籍管理信息系统提供辅助决策分析（弥永宏等，2017）。

2 倾斜摄影应用的关键技术

倾斜摄影产业链中涉及诸多技术环节，除了硬件设备的研发，软件方面的关键技术集中于自动化建模技术和平台应用技术。目前自动化建模技术主要掌握在国外，国内有企业和科研院所正在攻关中，但尚未达到国产替代的程度。平台应用技术上国产软件则已经走到世界的前列。具体包括：海量数据加载技术、单体化技术、效果修补技术等。

（1）海量数据加载技术指的是倾斜摄影模型数据量往往非常庞大，1km2的数据量在0.5～2 GB，这样中小城市的建成区就能达到几十乃至上百GB（孙宏伟，2014）。不过好在倾斜摄影自动化建模软件可以输出标准的OSGB 格式，且数据本身就自导了的LOD（金字塔层级结构）。利用数据自带的LOD，超图软件通过直接读取OSGB，并match 运用LOD 来优化调度，做到再大的数据量也可以实现瞬间加载，性能非常流畅。

（2）倾斜摄影的单体化技术就是利用三角面片的可分割性质，解决倾斜摄影数据的三维模型可分离单体化问题。该方法首先绘制切割多边形，确定单体化模型边界，然后使用包围盒方法进行求交检测，获得需要切割的三角面片（点云构建的DTM 三角网）。之后计算求交检测所得三角面片与切割多边形的交点，然后详细分析切割多边形与三角面片相交时的不同相交情形，并针对不同的相交情形采用不同的切割方法。最后，对相交区域三角面片进行裁切并重构，再纹理重构并实现多细节分层后得到分离的单体化模型。该技术方法可有效实现倾斜摄影三维模型的分离单体化（李卉，2017）。如图1所示。

（3）关键技术是效果修补。效果修补技术是指倾斜摄影生成的实景三维模型数据，通过空洞区模型导出，边界自动提取，三角网重构等方法来实现空洞修补。倾斜摄影模型是软件算法自动生成，由于算法限制和拍摄角度等原因造成表面不够平整、底商效果不佳等问题，和人工建模存在明显差距。天际航软件可人工干预休整倾斜模型表面，以及参照街景影像修缮底商效果（谭金石，2015）。超图软件则可通过自带水面符号弥补倾斜模型的水面空洞，还原波光粼粼的水面效果；以及通过配置点和三维符号来提供更好的树木等小品效果。效果示意图如图2 所示。

图1 基于切割三角面片的单体化流程

3 倾斜摄影技术的应用领域

倾斜摄影技术优势体现在和人工建模的对比的三维模型构建上。倾斜摄影自动化建模所具备的高效率、高精度、高真实感、低成本的优势，决定了这项技术具有广泛的应用前景。

3.1 倾斜摄影在智慧城市中的应用

在智慧城市的建立过程中，所有实体信息均以二维平面图或者三维模型为载体而呈现，如何利用现有的载体承载最新最完善的实体信息变得尤为重要。三维模型作为智慧城市基础信息的有效载体，目前常用的建模类型可以分为：地貌表面模型构建、地表建筑物模型构建、地表附着物模型构建。建筑、桥梁等实体是智慧城市的重要地表建筑物组成部分，包含了城市的大量信息，其变化日新月异，同时必须满足多分辨率、多尺度、多时空、多种类的应用，怎样既能直观看到其三维模型，又能直观展示属性信息，就需要现有的倾斜摄影三维建模技术的综合应用。基于倾斜摄影测量技术获得的实景模型，直观地为智慧城市的建设提供了大范围真实的地理环境，建筑信息模型贯穿于建筑物整个生命周期，承载了建筑物在设计、施工、运营的整个生命过程中的所有信息，为智慧城市的建设提供了丰富的全面的建筑物信息（王树东，2017）。如图3 所示郑州市航空港区智慧城市部分模型。

图2 效果修补图

3.2 倾斜摄影在智慧旅游中的应用

基于倾斜摄影测量技术实现的实景三维数字虚拟景区，为游客提供了一种全新的旅游体验，通过旅游平台在互联网上的发布，增强了景区的公共属性。而随着倾斜数据获取手段的不断更新和倾斜三维模型制作流程的不断智能化，基于倾斜摄影测量技术实现的实景三维数字虚拟景区应用趋势不可改变。对于自然风光的三维建模可以达到用地形和影像则时效性和精细程度往往都达不到还原出风景的美观程度，倾斜摄影技术由于其高分辨率和高真实感，能真实立体的还原自然风景的状况（俞建人等，2017）。而倾斜摄影数据制作上往往分辨率高、数据量大，对三维GIS 平台的支撑能力和稳定性提出了更高的要求。如图4 所示郑州五一公园三维模型。

3.3 倾斜摄影在房地一体化农村宅基地测量中的应用

无人机倾斜摄影在房地一体化农村宅基地测量中的应用有如下特点。

（1）具有灵活、便携、方便的特点，可以快速地获取作业区实景三维可视化模型，对大区域农村不动产测绘项目，可以极大地减少人工外业作业量，缩短工期。

（2）利用无人机倾斜摄影测量技术制作的三维实景模型，人工内业即可绘制房屋的轮廓结构，并可实现房屋层数、长度、面积、高度、体积等属性信息的量取，减少了外业房屋巡查和调查的工作量。

（3）利用无人机倾斜摄影测量所获得的倾斜影像，可以制作正射影像图外业调查工作地图，辅助外业修补测和指界签字调查工作，基于三维实景模型进行矢量化地籍图和房产图的编辑，改变了外业实测绘图的方式，提高了作业效率（邱春霞等，2017）。如图5 所示灵宝市阳平镇农村房屋不动产模型。

3.4 倾斜摄影在违章建筑监测中的应用

图3 智慧城市部分模型

图4 智慧旅游部分模型

随着城市化进程的不断加快，城市当中的各项违章建筑层出不穷，虽然相关管理部门也采取了一定的措施进行全面整治查处，但是由于多方面的原因，监管力量有限，导致城市当中的违章建筑仍然不能得到有效解决。违章建筑既对城市市容产生了很大的负面影响，也极大地扰乱了城市建设过程中的秩序，目前，违章建筑相关信息主要来源于一些人员的举报和工作人员的巡查，对于空间密闭以及屋顶上的相关违章建筑，巡查工作很难开展，业主在不配合的情况下很难进行取证。因此，也很难依法处置。随着无人摄影技术的不断发展，可对相关违章建筑采取全方位无死角监测，有效提升工作效率，通过对比两次影像图，便能够确定违章建筑信息，对违章建筑信息进行真实有效的记录，最大程度上杜绝私建乱搭的情况（王健和王继，2016）。如图6 所示郑州市陈寨花卉市场违章建筑监测模型。

图5 农村房屋不动产模型

3.5 倾斜摄影在其它行业中的应用

测绘工作中，无人机倾斜摄影测量可以灵活快速地获取项目区影像，完成项正射影像或地形图的生产、更新，可进行竣工测量等。还可为城市规划、自然资源、公安、环保、应急救灾等各行各业提供基于三维虚拟现实的高精度三维地理信息服务（张春森等，2015）。如图7 所示。

4 倾斜摄影的发展和应用展望

目前，无人机倾斜摄影测量技术已经取得了长足进步，精度、效率、成本上的优势有了进一步的增强。在未来的发展中，除了需要在加强软硬件方面来改进倾斜影像处理能力和提高信息提取能力；在行业规范方面，更需要解决无人机使用服务和管理监督不规范问题。而随着倾斜摄影技术的进一步发展，原有的很多应用都将迁移到倾斜摄影技术上，并且还将继续开拓出更多新的应用模式。譬如利用效果好的倾斜摄影真实模型结合三维眼罩等虚拟现实装备可实现实现沉浸式三维体验；随着倾斜摄影技术精度的提高和倾斜模型数据的丰富，基于完全符合现实状况的倾斜模型数据将可能实现对汽车自动驾驶和无人机快递，再一次对行业进行颠覆；倾斜摄影技术在互联网方面将随着倾斜模型的保密性问题解决，以及5G 网络的发展，中国互联网地图很快升级为三维地图，地图上所见即所得的真三维场景将被广泛普及（陈兴芳等，2016）。

5 结论

倾斜摄影作为在传统航空摄影之上发展起来的新技术，由于其增加了不同角度的相机拍摄，使得采集的信息更全面，并在自动化建模软件的支撑下能快速、低成本的构建出逼真的三维模型；从而使得倾斜摄影技术得到蓬勃发展，并具备广泛的应用前景。可以说，倾斜摄影开辟了一条地理信息应用的新道路，在这条大道上，还将不断的有新的应用模式被发掘出来。在这样一个技术大变革的时代，倾斜摄影技术蓬勃发展，倾斜摄影产业链上的所有成员，都要抓住历史机遇，奋勇争先，努力创新，为倾斜摄影技术更好更快地应用到地理信息产业和社会生活的方方面面贡献自己的一份力量。

图6 违章建筑监测模型

图7 三维信息模型